estudio de propiedades mineralÓgicas, estructurales …
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ESTUDIO DE PROPIEDADES MINERALÓGICAS, ESTRUCTURALES Y
ELECTRÓNICAS DE MUESTRAS DE SUELOS DESORIENTADOS CULTIVADOS
CON CAÑA DE AZÚCAR EN EL DEPARTAMENTO DEL VALLE DEL CAUCA Y
NORTE DEL CAUCA.
FABIÁN MAURICIO VARGAS FONTALVO
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar el título de
Magíster en Ciencias Físicas
Director
HUMBERTO BUSTOS RODRÍGUEZ
Doctor en Ciencias-Física
Co-Director
DAGOBERTO OYOLA LOZANO
Doctor en Ciencias-Física
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA
FACULTAD DE CIENCIAS
MAESTRÍA EN CIENCIAS-FÍSICA
IBAGUÉ – TOLIMA
2015
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DEDICATORIA
A mi esposa Ruby con todo mi amor, por la comprensión y apoyo que me ha brindado.
A mis hijos Snneyder Fabián y Fabián Andrés, que este logro sirva de ejemplo y punto
de partida en sus vidas profesionales.
A mis padres Marcos Vargas y Mirian Fontalvo, que han sido la fortaleza para afrontar
retos con empeño y dedicación.
A mi abuela Candelaria, que con su voz de aliento y motivación contribuyó para
el alcance de este objetivo.
A doña Cecilia y don Yesid por su apoyo y colaboración en la obtención de éste
logro.
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AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
En primera instancia a DIOS por la salud, el amor y la comprensión de las personas a
mi alrededor.
A Ruby Escorcia Torres, por ser mi apoyo constante, madre ejemplar motivo de mi
admiración y amor.
A mis hijos Snneyder Fabián y Fabián Andrés por su paciencia, apoyo y porque ellos
son la motivación de mi vida
A mi director de tesis el Dr. Humberto Bustos Rodríguez por su tiempo, sus invaluables
y sabias orientaciones.
Al Dr. Dagoberto Oyola por su valioso apoyo y orientaciones, al Dr. Yebrail Rojas y
todos los integrantes del grupo de Ciencias y Materiales de la Universidad del Tolima.
En especial al Dr. Édgar Ávila Pedraza por sus aportes y apoyo incondicional al
desarrollo y buen fin de este proyecto.
A todo el grupo de compañeros de la Maestría: Ulises, Daniel, Huberney, Óscar, Rosa,
Alexis, Rodrigo, Cesar y demás compañeros con quienes compartí extensas jornadas
de estudio.
A la oficina de Investigaciones y desarrollo Científico de la Universidad del Tolima, por
el apoyo a los proyectos de investigación en pro de una educación de calidad.
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GLOSARIO
CAMPO HIPERFINO: Manifestación de la interacción magnética entre el momento
magnético del núcleo y un campo magnético de origen intrínseco o extrínseco al átomo.
CAPACIDAD DE CAMPO (CC): es el contenido de agua o humedad que es capaz de
retener el suelo luego de saturación o de haber sido mojado abundantemente y
después dejado drenar libremente, evitando pérdida por evapotranspiración hasta que
el Potencial hídrico del suelo se estabilice
COMPLEJO DE CAMBIO: Llamado también complejo adsorbente de los suelos, es la
capacidad de las plantas para absorber los iones en el suelo otorgándole propiedades
que benefician el desarrollo de las plantas.
DESDOBLAMIENTO CUADRUPOLAR: Es la interacción del momento cuadrupolar de
la distribución (asimétrica) de la carga nuclear con el gradiente de campo eléctrico
provocado por la distribución de cargas fuera de los núcleos involucrados en el
proceso.
DESVIÓ ISOMÉRICO: Desplazamiento de los niveles nucleares debido a interacción
de la distribución de carga electrónica en el volumen nuclear con la propia carga del
núcleo.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X: Es un fenómeno físico que se produce al interaccionar un
haz de rayos X de determinada longitud de onda con una sustancia cristalina. Se basa
en la dispersión coherente del haz de rayos X por parte de la materia y en la
interferencia constructiva de las ondas que están en fase, se describe con la Ley de
Bragg
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EDAFOLOGÍA: Es donde el suelo es tomado como el soporte para las plantas, es
decir, se estudia desde un punto de vista netamente práctico, orientado a obtener los
mejores rendimientos agropecuarios posibles. (Lyttleton y Buckman, 1944).
ESPECTROSCOPIA MÖSSBAUER (EM): Es un método para determinar el grado de
oxidación química y el entorno de los elementos químicos, esta técnica permite estudiar
la estructura electrónica de los sólidos constituidos de Fe. La muestra se excita
mediante una radiación gamma que varía la energía de transición nuclear.
HORIZONTES DEL SUELO: Son las capas aproximadamente paralelas a la superficie
en que se divide el suelo y que presentan diferentes caracteres de composición,
textura, adherencia entre otras.
ICA: instituto colombiano agropecuario
ÍNDICE DE MILLER: Convención de tres números que designan genéricamente con
las letras (h k l), permite identificar los sistemas de planos cristalográficos.
INTERACCIONES HIPERFINAS: Son las interacciones en las que participan los
núcleos, al estar estos se encuentran bajo la acción de campos eléctricos y magnéticos
creados por los electrones del mismo átomo y por cationes vecinos.
ISÓTOPO: Cada una de las variedades de un átomo de cierto elemento químico, los
cuales tienen el mismo número atómico y por tanto constituyen el mismo elemento
aunque tengan un diferente número másico. Los átomos que son isótopos entre sí
tienen el mismo número de protones en el núcleo y ocupan el mismo lugar en la tabla
periódica.
MUESTRAS DE SUELOS DESORIENTADOS: son las muestras que se toman
directamente de los suelos, con todas sus fracciones de composiciones físicas y
químicas; minerales, arena, limo, arcilla y materia orgánica etc.
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NUTRIMENTOS: sustancias que se puede encontrar en los suelos, pero no se trata de
cualquier sustancia sino de aquellas vitales, que al ingerirlas permitirán que cada
proceso que se desarrolla dentro de la planta se realice de manera adecuada.
ÓXIDOS DE HIERRO: Son minerales de neo-formación prevenientes de la alteración
de rocas y suelos, son compuestos de hierro (Fe), oxígeno (O) e hidrógeno (H)
únicamente
PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE: es el punto de humedad mínima en el cual
una planta no puede seguir extrayendo agua del suelo y no puede recuperarse de la
pérdida hídrica aunque la humedad ambiental sea saturada.
SUELO AGRÍCOLA: Es el suelo apto para la actividad agrícola, el cual debe ser un
fértil y que permita el crecimiento y desarrollo de diferentes tipos de cultivo.
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CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
18
2. MARCO TEÓRICO 17
2.1 EL SUELO Y SUS PROPIEDADES 17
2.1.1 Propiedades Físicas de los Suelos. 18
2.1.2 Textura del Suelo 19
2.1.3 Propiedades Químicas de los Suelos 20
2.1.4 Hierro en el Suelo (Fe+2 y Fe+3). 22
2.2 TÉCNICAS DE ESTUDIO 23
2.2.1 Análisis Físico Químico de los Suelos 23
2.2.1.1 Análisis Físico de los Suelos 23
2.2.1.2 Análisis Químicos de los Suelos 24
2.2.2 Difracción de Rayos X (DRX) 24
2.2.2.1 Fundamento Físico 25
2.2.3 Espectroscopia Mössbauer (E.M) 27
2.2.3.1 Fundamento Físico 28
2.2.3.2 Interacciones Hiperfinas 30
2.2.3.3 Desvió o Corrimiento Isomérico (DI o δ) 33
2.2.3.4 Desdoblamiento Cuadrupolar Eléctrico (QS) 35
2.2.3.5 Campo Magnético Hiperfino
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 38
3.1 RECOLECCIÓN DE MUESTRAS 38
3.1.1 Tratamiento de Muestras por Análisis Físico Químico 40
3.2 ESTUDIO POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX) 40
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Pág.
3.3 ESTUDIO ESPECTROSCOPIA MÖSSBAUER 40
3.3.1 Arreglo Experimental 41
3.3.1.1 La etapa de detección
42
4. RESULTADOS 44
4.1 ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO 44
4.2 ESTUDIO POR DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX) 46
4.3 ESTUDIO POR ESPECTROSCOPIA MÖSSBAUER
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5. CONCLUSIONES
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RECOMENDACIONES
60
REFERENCIAS 61
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LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Estructura de los horizontes del suelo. 18
Figura 2. Composición física ideal del suelo 19
Figura 3. Escala de pH 21
Figura 4. Diagrama de la ley de Bragg para rayos X reflejados en los planos
cristalográficos hkl.
26
Figura 5. Una representación esquemática de la espectroscopia de Mössbauer
con la situación más simple de los núcleos de origen y de absorción en entornos
idénticos y que muestra el espectro de Mössbauer resultante con una línea de
absorción a velocidad cero.
27
Figura 6. F +
f
29
Figura 7. Corrimiento isomérico. Interacción de la distribución de carga nuclear
con la densidad electrónica en ambas, fuente y absorbente.
33
Figura 8. Desdoblamiento cuadrupolar. Interacción del momento cuadrupolar
nuclear con un EFG en el núcleo (Interacción cuadrupolar eléctrica)
35
Figura 9. Espectro Mössbauer donde aparecen seis posibles transiciones
(sextete) correspondiente a un desdoblamiento dipolar magnético (Zeeman).
36
Figura 10. Representación del recorrido de la recolección submuestras. 38
Figura 11. Diagrama en bloques de un espectrómetro Mössbauer. 41
Figura 12. Difractogramas de las muestras (FR- 47, FR-57, FR-74, FR-38 y FR-90
de suelos cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca.
47
Figura 13. Difractogramas de las muestras (FR- 04, FR-11, FR-15 y FR-19 de
suelos cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca.
48
Figura 14. Ajuste de espectro Mössbauer de muestras desorientada de suelos
agrícolas cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca y
norte del Cauca.
53
11
Pág.
Figura 15. Ajuste de espectro Mössbauer de muestras desorientada de suelos
agrícolas cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca y
norte del Cauca.
54
Figura 16. Ajuste de espectro Mössbauer de muestras desorientada de suelos
agrícolas cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca y
norte del Cauca.
55
Figura 17. Ajuste de espectro Mössbauer de muestras de suelos desorientados
agrícolas cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca y
Norte del Cauca.
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Figura 18. Ajuste de espectro Mössbauer de muestras desorientada de suelos
agrícolas cultivados con caña de azúcar en el departamento del Valle del Cauca y
norte del Cauca.
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LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Definición de los separados del suelo 20
Tabla 2. Criterios de evaluación de un suelo con respecto a su pH (NOM-021
RECNAT- 2000).
22
Tabla 3. Expresión para calcular la distancia dhkl, para diferentes sistemas
cristalinos.
30
Tabla 4. Localización geográfica de las muestras de suelos desorientados 39
Tabla 5. Características estructurales de muestras de suelos desorientados
cultivados con caña de azúcar en el Valle del Cauca y Norte del cauca.
44
Tabla 6. Parámetros de textura de las muestras de suelos desorientados
cultivados con caña de azúcar en el Valle del Cauca y Norte del cauca.
45
Tabla 7. Parámetros de densidad, pH, carbono y conductividad eléctrica de
muestras suelos desorientados cultivados con caña de azúcar en el Valle del
Cauca y norte del Cauca.
46
Tabla 8. Parámetros de red de las muestras de suelos desorientados cultivados
con caña de azúcar en la región del Valle del Cauca.
49
Tabla 9. Análisis Mineralógico semicuantitativo por (DRX), de muestras de suelos
desorientados cultivados con caña de azúcar en la región del Valle del Cauca-
Colombia.*
50
Tabla 10. Análisis Mineralógico semicuantitativo por (DRX), de muestras (de
suelos cultivados con caña de azúcar en la región del Valle del Cauca -Colombia.
51
Tabla 11. Parámetros hiperfinos de muestras desorientadas de suelos cultivados
con caña de azúcar en la región del Valle del Cauca y Norte del Cauca.
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LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Participación en Publicaciones 65
Anexo B. Participación como Ponente en Eventos 67
Anexo C. Perspectivas 68